管理傳感器集成問題，醫(yī)療可穿戴設(shè)備中的光學(xué)設(shè)計

Covid-19 為醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的商業(yè)化提供了新的推動力。從用于檢測冠狀病毒早期癥狀的無線溫度感應(yīng)標(biāo)簽和貼片監(jiān)視器的開發(fā)中可以明顯看出這一點。

最近的一個例子是 SkyWater Technology、Linear ASICs、SensiML 和 Upward Health 之間的合作。代工服務(wù)提供商 SkyWater Technology 最近與模擬芯片制造商 Linear ASIC 攜手，大規(guī)模生產(chǎn)具有溫度感應(yīng)功能的支持無線連接的 IC。

此次合作的其他合作伙伴是 QuickLogic 的子公司 SensiML Corp.，該公司為超低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供軟件，以及 Upward Health，一家家庭和虛擬醫(yī)療保健服務(wù)提供商。該傳感器平臺最終將被集成到接觸追蹤應(yīng)用程序中，以檢測 Covid-19 的早期癥狀。

EnSilica Ltd. 還生產(chǎn)了具有無線連接功能的單芯片醫(yī)療傳感器，適用于各種傳感器，包括心電圖 (ECG)、溫度、機(jī)電和生物阻抗傳感器。無線醫(yī)療傳感器 ASIC 平臺可以與多個處理器和 DSP 配置一起使用，并且作為一個選項，可以結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)加速器（例如 Arm Ethos-U55）來支持 AI 應(yīng)用程序。

傳感器芯片的專用模擬前端 (AFE) 與具有臨床級精度的單導(dǎo)聯(lián)和多導(dǎo)聯(lián) ECG 配合使用。它可以準(zhǔn)確測量心電圖、心率、呼吸頻率、溫度和脈搏血氧飽和度。

雖然上述傳感器芯片的推出表明可穿戴設(shè)計在醫(yī)療和保健用例中的吸引力越來越大，但開發(fā)人員在使這些超薄設(shè)備成為設(shè)計現(xiàn)實時面臨的主要設(shè)計挑戰(zhàn)是什么？本文擴(kuò)展了醫(yī)療可穿戴設(shè)計中的兩個主要問題：集成問題和光學(xué)設(shè)計。

集成難題雖然傳感器模塊廣泛用于解決超薄醫(yī)療可穿戴設(shè)備中的房地產(chǎn)和集成挑戰(zhàn)，但芯片制造商也在嘗試通過提供超緊湊的外形尺寸和支持一系列操作來簡化傳感器 IC 與系統(tǒng)的集成。電壓。

以傳感器芯片制造商 ams 推出的數(shù)字溫度傳感器為例，AS6221無需校準(zhǔn)或線性化，并通過 8 個 I 2 C 接口提供測量輸出。溫度傳感器 IC（采用 1.5 × 1-mm WLCSP 封裝）以 4 Hz 的輸出數(shù)據(jù)速率消耗 6 μA 電流，適用于健身監(jiān)測腕帶和智能手表。

據(jù) ams 稱，AS6221 是業(yè)界最精確的數(shù)字溫度傳感器，在 20°C 至 42°C 的溫度范圍內(nèi)具有 ±0.09°C 的測量精度。據(jù)該公司稱，其他溫度傳感器可以達(dá)到不超過±0.10°C的精度。

另一家傳感器芯片制造商 Integrated Device Technology (IDT) 現(xiàn)已成為瑞薩電子的全資子公司，該公司發(fā)布了一種生物傳感器模塊，以緩解醫(yī)療用例可穿戴設(shè)計中的集成問題。OB1203模塊采用4.2 × 2 × 1.2-mm 封裝，包括兩個 LED、驅(qū)動器、傳感器和一個在 I 2 C 總線上輸出所有傳感器數(shù)據(jù)的信號調(diào)節(jié)芯片。

除了測量心率和血氧水平的傳感器外，該模塊的附加傳感器還包括環(huán)境光傳感器、RGB 顏色傳感器、接近傳感器和脈搏血氧計生物傳感器。此外，該設(shè)計平臺具有臨床級心率和血氧飽和度 (SpO 2 ) 算法以及易于定制的 Android 應(yīng)用程序，并且需要三個數(shù)據(jù)線才能運(yùn)行。

增強(qiáng)的光學(xué)設(shè)計IDT 聲稱其新傳感器模塊的價值主張之一是其光學(xué)增強(qiáng)。這也是Maxim Integrated 推出的健康傳感器平臺 3.0 (HSP 3.0 ) 的重點。增強(qiáng)的光學(xué)架構(gòu)顯著提高了消費(fèi)者和監(jiān)管批準(zhǔn)的臨床設(shè)備中傳感器的信號采集質(zhì)量。

HSP 3.0 平臺使可穿戴設(shè)備能夠監(jiān)測心臟和呼吸問題，以管理慢性阻塞性肺病、Covid-19 等傳染病、睡眠呼吸暫停和心房顫動等疾病。除了基于手腕的可穿戴設(shè)備外，該參考設(shè)計還可用于其他干電極形式，如胸貼和智能戒指。

MAXREFDES104#——HSP 3.0 參考設(shè)計的部件號——聲稱可以節(jié)省至少六個月的開發(fā)時間。它有利于監(jiān)測心電圖、心率、SpO 2和體溫的可穿戴設(shè)備。

HSP 3.0 參考設(shè)計中的傳感器板包含一個 AFE，該 AFE 將 PPG 和 ECG 測量集成在單個芯片中。（來源：Maxim Integrated）

Maxim Integrated 工業(yè)與醫(yī)療保健業(yè)務(wù)部董事總經(jīng)理 Andrew Baker 表示，醫(yī)療保健可穿戴設(shè)備的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是光機(jī)械設(shè)計。這包括 LED 和光電探測器的布置。

因此，參考板已經(jīng)實施了過去幾年在組件相對于彼此的放置方面獲得的知識。它在底部放置了三個光電探測器。兩個光電探測器專注于使用綠色 LED 捕捉心率，而第三個距離 LED 較遠(yuǎn)的光電探測器用于血液飽和度測量。

“光學(xué)設(shè)計完全取決于信噪比 [SNR]，而提供 110 dB SNR 的 MAXREFDES104# 對于同時進(jìn)行兩次測量至關(guān)重要，”Baker 補(bǔ)充道。傳感器板上的 AFE 結(jié)合了 ECG 和光學(xué)功能，以前在兩個獨(dú)立的芯片上實現(xiàn)。

這意味著可穿戴設(shè)計可以執(zhí)行同步 PPG 和 ECG 測量，即使采用獨(dú)立的采樣率；它還可以實現(xiàn)更多的功率優(yōu)化。AFE 芯片MAX86176提供 110 dB 的 SNR，為干電極 ECG 應(yīng)用增加 SpO 2?飽和能力和超過 110-dB 的共模抑制比。

拆箱后，工程師可以在幾分鐘內(nèi)使用藍(lán)牙低功耗加密狗將其加載到 PC 上，并開始從傳感器板傳輸數(shù)據(jù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和分析。它帶有源代碼設(shè)計文件，因此設(shè)計人員可以采用該平臺并根據(jù)他們的特定用例對其進(jìn)行調(diào)整。

如前所述，這些功能可以為可穿戴設(shè)計工程師節(jié)省長達(dá)六個月的開發(fā)時間。但是，如果工程師沒有光學(xué)設(shè)計以及電極設(shè)計和心電圖方面的專業(yè)知識，則可能需要六個月以上的時間。

審核編輯 黃昊宇